考慮接觸面積與壓差的致密砂巖氣藏水相自吸行為

李寧，　游利軍，　張震，　田鍵，　張紹俊，　康毅力，　張杜杰

（1.塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué)，成都610500）

0　引言

我國致密砂巖氣藏資源量豐富，在鄂爾多斯、四川、塔里木、準(zhǔn)噶爾、松遼、渤海灣等盆地均有分布，有利勘探面積約為32×104km2，估計資源量為16×1012m3，開發(fā)潛力巨大[1-3]。2000年以來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，中國先后成功實現(xiàn)了以鄂爾多斯盆地蘇里格氣藏和四川盆地須家河組氣藏為典型代表的致密砂巖氣藏商業(yè)開發(fā)區(qū)，并在松遼、塔里木等盆地相繼實現(xiàn)突破。致密砂巖氣已經(jīng)成了國內(nèi)非常規(guī)天然氣開發(fā)最為成功的類型，產(chǎn)量約占全國天然氣總產(chǎn)量的1/3[4]。致密砂巖氣的開發(fā)對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、積累非常規(guī)天然氣開發(fā)經(jīng)驗、降低油氣資源對外依存度、促進(jìn)國民生產(chǎn)等具有重要意義[2]。

水相毛管自吸是致密砂巖氣藏勘探開發(fā)過程中一種常見的工程現(xiàn)象[5-6]。致密砂巖氣藏儲層巖石致密，毛管力高，加上儲層多親水，毛管自吸效應(yīng)在致密砂巖氣藏中格外突出。當(dāng)鉆完井環(huán)節(jié)發(fā)生水相毛管自吸時，會造成近井帶儲層含水飽和度升高，導(dǎo)致測井解釋錯判為水層，從而錯過氣藏的及時發(fā)現(xiàn)[7-8]。此外，水相毛管自吸會誘發(fā)嚴(yán)重的儲層水相圈閉損害（或水鎖損害），改變了儲層的真實滲流能力，妨礙對儲層產(chǎn)能的準(zhǔn)確評價[9-12]。國內(nèi)外學(xué)者對致密砂巖氣藏水相毛管自吸行為開展了大量實驗研究。Bennion[13-15]等人通過巖石毛管滲吸實驗研究了低滲儲層水相圈閉損害發(fā)生過程，并指出毛管滲吸是誘發(fā)水相圈閉損害的重要途徑。劉雪芬和康毅力等[16]通過開展鄂爾多斯盆地不同層位致密巖樣毛管自吸實驗，發(fā)現(xiàn)物性較好的儲層段水相自吸能力也相對更強(qiáng)，表明可通過毛管自吸實驗反映儲層物性條件。游利軍等[17]研究了負(fù)壓差下的致密砂巖氣藏水相毛管自吸行為，認(rèn)為一定的負(fù)壓差下，致密砂巖氣藏仍能發(fā)生水相毛管逆流自吸，進(jìn)而引起儲層水相圈閉損害。李寧等[18]通過毛管自吸實驗結(jié)合水膜厚度和巖石孔徑分布關(guān)系，揭示了水相侵入和滯留引起的致密砂巖氣藏儲層水相圈閉損害程度。

研究水相毛管自吸行為可以為致密砂巖氣藏儲層物性認(rèn)識、儲層水相圈閉損害評價提供分析數(shù)據(jù)，并指導(dǎo)鉆完井等作業(yè)過程中水相流體的使用和生產(chǎn)壓差的設(shè)計。為了揭示致密砂巖氣藏水相自吸行為，選取典型致密砂巖氣藏柱塞巖樣，分別模擬了鉆開儲層時水相接觸巖石的巖樣端面自吸、裂縫水淹后的巖樣浸泡自吸和正壓差下的毛管強(qiáng)制滲吸實驗，分析了接觸面積與壓差對致密砂巖水相毛管自吸的影響。實驗結(jié)果對于致密砂巖氣藏鉆完井作業(yè)過程中的儲層保護(hù)認(rèn)識有著指導(dǎo)意義。

1　實驗巖樣與方法

1.1　實驗巖樣

選取某區(qū)塊典型致密砂巖氣藏基塊巖心6塊和裂縫巖心2塊開展實驗。實驗前，對巖樣進(jìn)行烘干處理后，測定巖樣基本物性參數(shù)。致密砂巖氣藏存在超低含水飽和度現(xiàn)象[19-20]，該區(qū)塊密閉取心顯示儲層原始含水飽和度普遍位于20%左右，甚至更低。因此，實驗開始前，采用毛管自吸法[21]對巖樣建立20%初始含水飽和度，并靜置24 h以上，使得水相在巖心內(nèi)部分布均勻。實驗巖樣基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)與實驗安排見表1。

表1　巖心基本參數(shù)與實驗條件

1.2　實驗流體

根據(jù)地層水組分分析，在室內(nèi)實驗時配制了相同礦化度的模擬地層水，模擬地層水配方見表2。

表2　模擬地層水配方礦物類型含量?。╩g/L）

1.3　實驗方法

1）全浸泡毛管滲吸實驗方法：用不吸水的細(xì)鐵絲纏住巖心軸向上中央位置，用另一根細(xì)鐵絲一端連著電子天平下方，另一端掛在纏住巖心的細(xì)鐵絲上。

2）一端浸泡毛管滲吸實驗方法：用細(xì)線或細(xì)鐵絲一端纏住距巖心入口端2～3 mm處，另一端掛在電子天平下方，自吸時保證巖心出口端沒入自吸液體2～3 mm左右。

3）定驅(qū)替壓差毛管滲吸實驗方法：將巖心裝入夾持器，保持巖心出口端與自吸液體接觸。實驗中通過精度為0.001 mL的計量泵以恒定3.5 MPa壓力將液體泵入巖心內(nèi)部。定驅(qū)替壓差毛管滲吸時間為2 h，其余實驗方法滲吸實驗均為16 h。

整個實驗過程由電腦自動采集巖心內(nèi)部液體質(zhì)量變化情況。

2　實驗結(jié)果

2.1　變接觸面積的致密砂巖水相毛管自吸

分別開展了水相流體接觸基塊巖樣端面自吸、裂縫巖樣端面自吸和基塊巖樣全浸泡自吸實驗，用來模擬水相流體在基塊、裂縫單一介質(zhì)以及裂縫水淹后水往四周基塊中侵入的毛管自吸行為。實驗結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1　不同接觸面積下水相毛管自吸模型示意圖

實驗結(jié)果表明，水相在單一基塊介質(zhì)中的毛管自吸進(jìn)程最為緩慢，自吸速率最低。當(dāng)存在裂縫時，自吸進(jìn)程變快，且室內(nèi)巖心尺度下，裂縫巖樣快速自吸主要發(fā)生在前3 h?；鶋K全浸泡實驗表明，當(dāng)裂縫內(nèi)全部充滿水時，水會往四周基塊快速自吸，且在很短的時間（前3 h）達(dá)到自吸平衡，隨后自吸速度趨近于0，只靠擴(kuò)散緩慢增加含水飽和度。

圖2　不同接觸面積下巖樣自吸水量隨時間變化關(guān)系

圖3　不同接觸面積下巖樣自吸水速率隨時間變化關(guān)系

2.2　考慮壓差的致密砂巖水相毛管自吸

鉆完井作業(yè)中，一定的正壓差下若未能形成優(yōu)質(zhì)濾餅，濾液將在毛管力和正壓差耦合作用下進(jìn)入儲層更深部位置，引起更為嚴(yán)重的水相侵入現(xiàn)象。開展了3.5 MPa正壓差條件下和只在毛管力作用下的基塊巖樣端面毛管自吸實驗，結(jié)果見圖4、圖5（裂縫巖樣在正壓差下極易發(fā)生水相穿透現(xiàn)象，因此不做實驗研究，只做對比分析）。

圖4　不同接觸面積下進(jìn)液量隨時間變化關(guān)系

由圖4、圖5對比分析可知，正壓差的存在會加劇水相侵入程度，顯著提高水相毛管自吸速率。結(jié)合實驗結(jié)果，可以推測，當(dāng)儲層天然裂縫發(fā)育時，如果發(fā)生井漏且未能形成優(yōu)質(zhì)濾餅，將會引發(fā)嚴(yán)重的儲層漏失。

圖5　不同類型巖樣進(jìn)液速率隨時間變化關(guān)系

3　討論與分析

3.1　水巖接觸面積增加強(qiáng)化水相毛管自吸進(jìn)程

將6塊基塊巖樣和2塊裂縫巖樣在不同進(jìn)液方式下進(jìn)行毛管滲吸實驗，進(jìn)液前后總的自吸量由電子天平稱重差值所得，自吸過程中巖樣重量變化數(shù)據(jù)由電腦監(jiān)測得到，并根據(jù)總的進(jìn)液量擬合線性關(guān)系求出任意自吸時間點下的真實進(jìn)液量，實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果匯總見表3。

表3　不同進(jìn)液方式下巖石自吸量匯總

表3結(jié)果顯示，自吸16 h后，巖樣平均自吸量為：基塊全浸泡0.550 7 g＜基塊一端自吸0.657 1 g＜裂縫一端自吸0.719 4 g；前2 h內(nèi)平均自吸量為：基塊一端自吸0.244 6 g＜裂縫一端自吸0.393 9 g＜基塊全浸泡0.412 4 g，分別占各自總的進(jìn)液量的37.2%、54.7%與74.9%。這說明：①基塊一端接觸自吸液體時的自吸程度最慢，自吸維持時間更久；②裂縫的生成或出現(xiàn)，增加了巖樣與液體的接觸面積，提供了自吸的高速通道，使得自吸程度加快，縮短了自吸達(dá)到飽和的時間；③基塊全浸泡時，外表面相當(dāng)于裂縫面，一方面增加了巖樣與自吸液體的接觸面積，另一方面液體從整個巖樣外表面自吸進(jìn)入巖樣內(nèi)部，進(jìn)一步縮短了水相“自吸-分布-飽和”過程，自吸更容易進(jìn)入飽和平穩(wěn)階段。此外，在正壓差作用下，會加劇液體進(jìn)入巖樣內(nèi)部的程度。

在鉆完井等作業(yè)過程中，當(dāng)儲層巖石接觸水相后，相同時間內(nèi)，水巖接觸面積是影響水相侵入程度的主要因素之一[22]。致密砂巖氣藏儲層天然裂縫發(fā)育，水相從天然裂縫進(jìn)入儲層基塊是一個多尺度過程，即在空間尺度上為從裂縫自吸到基塊自吸，在自吸發(fā)展過程上為裂縫自吸-裂縫水淹-裂縫往四周基塊自吸。室內(nèi)實驗結(jié)果表明，基塊自吸時，由于受到微納米孔隙的限制，使得可供水相自吸和重新分布的通道非常細(xì)小，并且自吸阻力相對更大，導(dǎo)致自吸進(jìn)程緩慢。當(dāng)裂縫存在時，水相可沿著裂縫面迅速自吸竄進(jìn)，加快自吸進(jìn)程，并且裂縫和基塊之前的毛管力差異，使得裂縫不斷向基塊供水，保證毛管快速自吸的持續(xù)性。巖樣全浸泡自吸時，自吸接觸面積最大，此時，巖樣外表面相當(dāng)于裂縫面，自吸液體可從巖樣外表面各個方向快速自吸進(jìn)入巖心內(nèi)部，縮短了自吸達(dá)到飽和的時間，自吸進(jìn)入飽和平穩(wěn)階段時間最短。致密砂巖氣藏裂縫的存在既增加滲吸流體接觸面積，又突出正壓差作用，使?jié)B吸能力顯著增加，調(diào)控滲吸應(yīng)以及時封堵裂縫、降低流體接觸面積為主要思路。因此，對于存在天然裂縫的致密儲層，要防止流體沿著裂縫自吸，避免水相進(jìn)入更深處的基塊中，使得天然氣被推向更遠(yuǎn)的位置，造成基塊成為相對孤立的含氣區(qū)[10]，形成圈閉氣[23]，引起嚴(yán)重的水相圈閉損害。

3.2　正壓差水相毛管自吸程度受限于儲層物性

通常認(rèn)為，儲層巖石越致密，孔喉越細(xì)小，儲層巖石毛管壓力就越高，由此在水相毛管自吸時，提供的毛管動力越大。因此，當(dāng)存在一個外加動力（正壓差）時，毛管自吸程度會加重。圖4和圖5實驗結(jié)果證明，在外加正壓差作用下，水相毛管自吸進(jìn)程變快，相同時間內(nèi)的自吸量和自吸速率都顯著增加。隨著實驗研究的進(jìn)一步深入，發(fā)現(xiàn)當(dāng)儲層巖石物性進(jìn)一步降低時，毛管力成了水相自吸的主要動力，正壓差的作用變得微弱。圖6、圖7對比了不同物性下致密巖石毛管自吸和強(qiáng)制滲吸實驗結(jié)果。

圖6　不同物性下致密砂巖自吸量隨時間變化關(guān)系

圖6　不同物性下致密砂巖自吸速率隨時間變化關(guān)系

由圖6、圖7可以看出，當(dāng)巖石滲透率在0.110 mD時，此時正壓差下的自吸速率和自吸量都低于滲透率為0.031 0 mD的毛管自吸；而當(dāng)巖石滲透率增加至0.017 5 mD后，正壓差會顯著提高毛管自吸速率和自吸量。這說明對于超致密的儲層來說，水相侵入儲層基塊的主要動力仍是儲層自身的巖石毛管力，正壓差對水相進(jìn)入儲層內(nèi)部的促進(jìn)作用可以忽略。這是因為，水相毛管自吸是一個自發(fā)的物理化學(xué)過程，是水巖系統(tǒng)平衡自身能量的一個過程[24]。當(dāng)儲層巖石內(nèi)部存在含水飽和度梯度或者處于“缺水”狀態(tài)，毛管自吸就能發(fā)生。不同的是，正壓差下水相侵入是一個驅(qū)替過程，是動力克服阻力的一個過程。當(dāng)儲層巖石物性低于某一范圍后，由納微米級孔喉帶來的界面阻力效應(yīng)變得格外顯著[25-26]，正壓差不足以克服這些界面阻力效應(yīng)。這也間接證實水相侵入主要以驅(qū)替方式進(jìn)入裂縫，然后以毛管自吸方式進(jìn)入基塊。因此，對于進(jìn)入基塊部分的水相，只有通過有限界面修飾等手段，改變潤濕性后，再控制合理壓差，來促進(jìn)水相返排。

4　基于自吸調(diào)控的致密砂巖氣藏鉆完井儲層保護(hù)技術(shù)對策

通過實驗研究，可以發(fā)現(xiàn)水巖接觸面積的增加會顯著強(qiáng)化毛管自吸效應(yīng)，正壓差則主要是對裂縫以及相對高滲的致密儲層的水相侵入有促進(jìn)作用，而進(jìn)入致密基塊的水相主要是通過毛管力實現(xiàn)。因此，對于致密砂巖氣藏鉆完井等作業(yè)過程中，預(yù)防水相侵入引起的相圈閉等儲層損害需要分類別針對研究，從而做到保護(hù)致密砂巖氣藏，為其及時發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確評價和高效開發(fā)提供保障。對于裂縫性致密砂巖氣藏，要合理控制正壓差，防止發(fā)生工作液漏失。若壓差控制不當(dāng)，一方面造成漏失；另一方，會引起儲層應(yīng)力敏感性，從而加劇儲層漏失。對于這類情況，可采用裂縫性儲層屏蔽暫堵技術(shù)[27-28]，控制漏失范圍和漏失量，防止裂縫水淹，進(jìn)而阻止向基塊發(fā)生大面積水相毛管自吸。條件允許時，也可采用欠平衡等負(fù)壓作業(yè)防止水相侵入。對于儲層基塊來說，水相“少侵快排”是做到儲層保護(hù)的關(guān)鍵。可通過添加氟化物等表面活性劑，改變工作液性質(zhì)，降低毛管自吸能力，減少侵入量和促進(jìn)返排來解除水相損害[16]。

洋山港四期進(jìn)港主航道及附近水域船舶交通狀況比較復(fù)雜，通過對2016年10月13日至2016年10月19日共7 d的洋山港船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)數(shù)據(jù)解碼，并設(shè)置4條斷面觀測線，進(jìn)行交通流量統(tǒng)計見表1。通航船舶的主要類型及其航路如下：

5　結(jié)論

1.致密砂巖氣藏儲層巖石孔喉細(xì)小、毛管力高，毛管自吸現(xiàn)象明顯。

2.水巖接觸面積增加會強(qiáng)化致密砂巖水相毛管自吸程度。

3.正壓差能夠促進(jìn)致密砂巖水相毛管自吸，但受到物性控制。當(dāng)物性低于一定范圍時，水相主要通過毛管力自吸進(jìn)入儲層基塊。

4.在鉆完井等過程中，預(yù)防致密砂巖氣藏水相侵入應(yīng)以封堵裂縫、控制壓差來減少水巖接觸面積和水相侵入量為主。